《计组概论级》课件

《计算机组成原理》课程简介本课程旨在深入浅出地介绍计算机的硬件结构，帮助学生了解计算机系统的工作原理，为后续学习其他计算机相关课程打下坚实的基础。计算机系统基本组成硬件系统计算机硬件系统由多个物理部件组成，包括中央处理器、主存储器、输入/输出设备和总线等，协同工作以执行计算任务。软件系统软件系统由一系列指令和数据组成，控制计算机硬件系统执行特定的任务，包括操作系统、应用程序和各种工具软件。数据表示与运算数据编码了解二进制、八进制、十六进制以及ASCII码等不同数据编码方式，学会将十进制数转换为不同进制。整数运算掌握加减乘除等基本整数运算，并学习溢出处理、补码运算以及定点运算。浮点数运算学习IEEE754标准下浮点数的表示方式，并理解浮点数运算的精度、舍入误差以及溢出处理。指令系统指令格式指令格式定义指令的结构和组成部分，如操作码、操作数地址、指令长度等。指令类型常见指令类型包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等。寻址方式寻址方式决定指令如何获取操作数，常见方式包括立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、间接寻址等。指令流水线1指令流水线概述将一条指令的执行过程划分成多个阶段，每个阶段处理指令的不同部分，并同时执行多个阶段。2流水线结构通常包含取指、译码、执行、访存、写回等多个阶段。3流水线性能提高程序执行速度，减少指令执行时间，提高CPU的利用率。总线系统1数据传输总线是计算机系统中不同部件之间进行数据传输的公共通道。它是连接CPU、内存、外设等重要组件的关键桥梁。2同步/异步同步总线使用时钟信号来协调数据传输，而异步总线则通过握手信号来控制数据传输。3类型总线可以分为地址总线、数据总线和控制总线，它们各自负责不同的功能。4特点总线具有共享性、并行性、时序性等特点，并根据数据传输速度和传输宽度进行分类。存储系统存储器分类主存储器(内存)用于存放CPU直接访问的数据和程序，速度快容量小。辅存储器(外存)用于存放大量信息，速度慢容量大。存储器特点速度、容量、成本是存储器的三个重要指标。存储系统需要考虑成本、速度和容量之间的平衡。存储器结构存储系统采用分级结构，利用不同类型的存储器组合，提高性能和性价比。存储器管理存储器管理是对存储器的分配、回收和保护，需要考虑内存分配算法和虚拟内存技术。存储层次结构1高速缓存速度快、容量小、成本高2主存速度较快、容量中等、成本中等3辅存速度慢、容量大、成本低存储层次结构通过速度、容量和成本的差异，来满足计算机系统对不同类型数据的访问需求。CPU优先访问高速缓存，然后访问主存，最后访问辅存，以此来提升系统性能。虚拟存储器虚拟地址空间虚拟存储器使用虚拟地址，逻辑地址，它与物理地址无关。页面置换算法当内存空间不足时，系统会将不常用的页面交换到磁盘，为新页面腾出空间。提升效率虚拟存储器允许程序使用比物理内存更大的地址空间，提高了内存利用率和程序效率。输入/输出系统输入/输出设备输入设备用于将外部数据输入到计算机系统中。输出设备用于将计算机系统中的数据输出到外部。输入/输出接口输入/输出接口是计算机系统与外部设备之间进行数据传输的桥梁。它负责将输入设备的数据转换成计算机可以理解的格式，并将输出设备的数据转换成人类可以理解的格式。外围设备外围设备是计算机系统的重要组成部分，它们与中央处理器（CPU）和主存储器共同构成完整的计算机系统。外围设备主要用于与用户进行交互，输入数据或指令，输出结果，以及与外部世界进行信息交换。中央处理器(CPU)大脑计算机系统的核心部件，负责执行指令、处理数据和控制系统运作。控制中心CPU协调各个部件工作，是整个计算机系统的控制中心，决定着系统的执行效率。运算核心CPU包括控制单元、算术逻辑单元和寄存器组，负责完成各种运算、逻辑操作和数据处理。CPU结构1控制单元负责从存储器中获取指令，并对指令进行译码2算术逻辑单元执行算术运算和逻辑运算3寄存器组用于存储数据和指令4数据通路用于数据在CPU内部的传输CPU的结构是计算机系统中最核心的部分，它由控制单元、算术逻辑单元、寄存器组和数据通路组成。这些部分共同协作完成指令的获取、译码、执行和结果输出等功能，是计算机系统运行的基础。控制单元1指令译码控制单元从指令寄存器中获取指令，并将其译码为一系列控制信号。2时序控制控制单元根据指令译码结果，生成控制信号，控制各部件的运行顺序和时序。3数据通路控制控制单元控制数据在各部件之间的流动路径，确保数据按照指令的要求进行处理。4异常处理控制单元负责检测和处理程序运行过程中出现的异常情况，例如除零错误、内存越界等。算术逻辑单元基本功能算术逻辑单元(ALU)是计算机的核心部件之一，负责执行算术运算和逻辑运算。运算类型ALU可以执行加减乘除、位运算、逻辑运算等多种运算，为计算机提供基础的运算能力。结构组成ALU一般包含加法器、减法器、乘法器、除法器、逻辑运算器等模块，并通过控制信号选择执行的运算。寄存器组高速存储单元寄存器组是CPU内部的存储单元，用于保存经常访问的数据和指令。提高访问速度寄存器组的访问速度比主内存快得多，可以显著提高CPU的执行效率。不同类型寄存器寄存器组包含多种类型的寄存器，例如通用寄存器、程序计数器、状态寄存器等，用于不同的功能。指令执行过程1取指从内存中获取指令2译码解析指令格式和操作码3执行执行指令操作，例如算术运算或数据传输4写回将结果写入目标寄存器或内存指令执行过程是一个循环，从取指开始，一直重复直到程序结束。中断机制中断的定义中断是指计算机系统在运行过程中，由于内部或外部事件发生而引起程序的暂时中止，并转向处理该事件的程序。中断类型内部中断外部中断中断处理过程中断处理过程包括中断请求、中断响应、保存现场、执行中断服务程序、恢复现场、中断返回。输入输出接口端口地址每个端口都有唯一的地址，用于标识不同的设备，CPU可以通过端口地址访问外设。I/O控制器I/O控制器是位于CPU和外设之间的桥梁，它负责控制数据在CPU和外设之间的传输。数据传输方式I/O接口支持多种数据传输方式，例如：DMA传输、中断传输等。数据通路设计数据通路定义数据通路是CPU中执行指令的硬件结构。它包含寄存器、运算器、存储器等组件，以及连接这些组件的总线。设计目标数据通路设计旨在实现高效的指令执行，包括快速的数据传输、运算和存储操作，以及资源的合理分配。设计流程数据通路设计通常涉及定义指令集架构、确定寄存器数量和类型、选择运算器和存储器等关键组件，以及设计连接这些组件的总线结构。优化策略为了提高数据通路的性能，可以采用流水线技术、高速缓存、多级存储器结构等优化策略，以减少指令执行时间和提高吞吐量。控制单元设计1微程序控制利用存储器中的微程序实现控制逻辑2组合逻辑控制利用逻辑门电路直接实现控制信号3硬布线控制利用硬件电路实现控制信号控制单元是计算机系统的核心部件之一，负责协调各个部件工作，执行指令，实现程序功能。控制单元的设计方法多种多样，其中主要包括硬布线控制、组合逻辑控制和微程序控制三种。性能分析性能分析是计算机组成原理中重要的组成部分，通过评估和分析计算机系统的性能指标，如运行速度、存储容量、功耗等，可以优化系统设计，提高系统效率。CPU处理速度内存访问速度磁盘I/O速度性能分析的方法包括基准测试、性能指标分析、瓶颈识别等，通过这些分析结果可以对计算机系统进行优化，提升系统整体性能。指令集架构11.指令集计算机系统指令集是CPU可执行指令的集合，定义了CPU操作数据的方式。22.数据类型指令集定义了CPU支持的数据类型，例如整数、浮点数、字符等。33.寻址方式指令集定义了CPU访问内存数据的方式，如寄存器寻址、直接寻址、间接寻址等。44.指令格式指令集定义了指令的编码方式，例如操作码、操作数地址等。运算器设计运算器功能运算器是计算机的核心部件，负责执行算术运算、逻辑运算和数据传送操作。它由数据通路、控制逻辑和算术逻辑单元组成。数据通路数据通路是运算器中的硬件结构，用于传输数据和指令。它包含寄存器、算术逻辑单元、存储器以及连接它们的总线。算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU)是运算器的核心，它执行加减乘除、逻辑运算等操作。ALU的性能直接影响计算机的运算速度。控制逻辑控制逻辑负责控制运算器的操作，包括数据通路的选择、操作的执行以及结果的存储。控制逻辑通常由微程序控制或组合逻辑电路实现。微程序控制设计1微程序控制原理微程序控制使用微程序来实现控制逻辑，微程序是一系列指令序列，每个指令对应一个控制信号组合，微程序存储在控制存储器中，通过地址译码和微指令执行来完成指令控制。2微程序控制步骤微程序存储器微指令译码控制信号生成执行指令3微程序控制优点提高计算机系统的灵活性和可扩展性，简化控制逻辑设计，便于修改和维护，易于实现并行操作和流水线技术。存储系统设计1存储器类型选择根据不同的应用场景选择合适的存储器类型，例如主存、高速缓存、外存。2存储器容量设计根据程序运行的需要和系统资源的约束，合理地设计存储器的容量。3存储器组织形式选择合适的存储器组织形式，例如字组织、字节组织，并确定存储器的地址空间。4存储器管理策略设计合适的存储器管理策略，例如分页、分段，以及相应的地址转换机制。5存储器可靠性设计采用冗余技术、错误检测和纠正技术，提高存储系统的可靠性。总线系统设计总线类型总线系统设计是计算机系统中的关键环节。它涉及总线类型，如地址总线、数据总线和控制总线的设计和优化。总线宽度总线宽度决定了数据传输的并行度，影响数据传输速度。合理选择总线宽度，兼顾性能和成本，是设计总线的关键因素。总线协议总线协议定义了数据传输的规范，包括数据传输的时序和信号控制方式。选择合适的总线协议，可以保证数据传输的可靠性和效率。总线仲裁在多设备共享总线的情况下，总线仲裁机制保证了数据传输的公平性和效率。常见仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。总线扩展总线扩展技术可以扩展总线系统的容量，满足不断增长的数据传输需求。常用的扩展方式包括总线级联和总线分层。输入输出系统设计1接口设计数据传输路径和控制信号2驱动程序控制设备操作3中断机制处理设备请求4DMA直接内存访问输入输出系统设计包括接口设计、驱动程序、中断机制和DMA等关键部分。接口设计定义了数据传输路径和控制信号，驱动程序控制设备操作，中断机制处理设备请求，DMA则实现了直接内存访问，提高了数据传输效率。硬件描述语言